×
26.08.2017
217.015.e97c

Способ определения динамического дисбаланса ротора авиационного газотурбинного двигателя

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002627750
Дата охранного документа
11.08.2017
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение может быть использовано для измерения амплитуд и фаз вибрации при балансировке роторов турбин и компрессоров в машиностроении, авиастроении и других областях. Способ определения динамического дисбаланса ротора ГТД, включает установку датчиков вибрации на корпус двигателя под углом 90° друг к другу, обработку полученных вибросигналов путем многоуровневой фильтрации, выделение в полученном вибросигнале рабочего поля частот ротора. Затем определяют мгновенное положение амплитуды и фазы колебаний ротора и получают синтезированные орбиты из перемещения системы ротор - корпус в плоскостях сечениях опор ротора, а сравнение производят с эталонной орбитой ротора и определяют дисбаланс ротора. Изобретение позволяет определить дисбаланс двигателя в сборе на рабочих частотах вращения роторов. 2 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам и методам балансировки, и может быть использовано для измерения амплитуд и фаз вибрации при балансировке роторов турбин и компрессоров в машиностроении, авиастроении и других областях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявленному изобретению является способ определения дисбалансов ротора, заключающийся в том, что устанавливают датчики вибрации на корпус двигателя, обрабатывают вибросигналы, определяют амплитуды и фазы колебаний ротора, сравнивают орбиты и определяют дисбаланс.

/Патент RU 2059214 C1, G01M 1/30, 27.04.1996/

Ось шарнирной опоры статора совмещают с поперечной плоскостью, в которой находится центр масс ротора, измерение колебаний статора производят на частоте вращения при балансировке до 1000 оборотов в минуту, о дисбалансе судят из сравнения мгновенных значений параметров, характеризующих колебания статора. Устройство для балансировки ротора содержит статор с опорами для установки ротора, виброизмерительные преобразователи колебаний статора. Ось шарнирной опоры и центр масс ротора расположены на разных расстояниях от середины плоскостей опор статора. Устройство для выставления оси вращения ротора выполнено в виде регулируемых по высоте демпферов, установленных между статором и виброизмерительными преобразователями, выполненных в виде поджатых пьезоэлементов, измерительные оси которых одинаково ориентированы и расположены в плоскостях коррекции ротора.

Данный метод обладает следующими недостатками:

- необходимость использования дополнительной опоры;

- невозможность выполнения балансировки ротора на рабочих частотах вращения ротора из-за сложности реализации конструкции, что вызывает значительные погрешности при определении динамического дисбаланса;

- сложность и индивидуальность балансировочного оборудования;

- использование временных узлов опор ротора, имеющих отличительные характеристики жесткости и демпфирования от штатных узлов;

- отсутствие возможности определения динамики изменения дисбаланса.

Предлагаемое изобретение позволяет определять величину и мгновенное положение главного вектора дисбаланса ротора в плоскостях коррекции.

За счет использования системы датчиков, установленных на корпусе газотурбинного двигателя, ортогонально расположенных в плоскостях коррекции ротора (как правило, опор), получены пространственные изображения траектории движения вектора дисбаланса в режиме реального времени.

Для анализа используется графическое орбитальное представление траектории перемещения центра корпуса изделия под влиянием воздействия несбалансированных сил ротора (Патент РФ №2551447).

Порядок получение пространственных траекторий:

- после выхода ротора изделия на рабочую частоту вращения выполняется анализ информации с датчиков вибрации, установленных в плоскостях коррекции изделия попарно в вертикальном и горизонтальном направлениях;

- производится математическая обработка сигнала с выделением интересующих диапазонов частот;

- построение графических представлений пространственных траекторий перемещения вектора вибрации;

- оценка амплитуды и фазы (пространственного положения) суммарного вектора вибрации.

Динамический дисбаланс двигателя зависит от многих факторов:

- дисбалансов отдельных элементов ротора;

- аэро, гидродинамических нагрузок на отдельные элементы ротора;

- нестационарности потока на входе в двигатель;

- изменения рабочих зазоров в элементах опор и в первую очередь в подшипниках;

- температурного прогиба ротора и значения температур отдельных элементов;

- возможного попадания жидкости в ротор;

- отклонений или изменений геометрии деталей подшипников опор;

- взаимных смещений при работе деталей ротора.

Задачей предлагаемого изобретения является определение дисбаланса двигателя в сборе на рабочих частотах вращения роторов.

Ожидаемый технический результат заключается в определении мгновенного значения параметров дисбаланса в необходимых плоскостях коррекции в зависимости от совокупности всех факторов, влияющих на его изменение.

Дисбаланс - результат действия не скомпенсированных массовых сил, возникающих, как правило, из-за несимметричности геометрии и массовых характеристик ротора.

В качестве исходных данных используется результат воздействия всех внешних и внутренних нескомпенсированных сил и моментов на изменение траектории перемещения центра системы ротор-корпус.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что устанавливают датчики вибрации на корпус двигателя, обрабатывают вибросигналы, определяют амплитуды и фазы колебаний ротора в поле рабочих частот, сравнивают орбиты и определяют дисбаланс, по предложению датчики вибрации устанавливают на корпус под углом 90° друг к другу, обработку вибросигнала осуществляют путем многоуровневой фильтрации полученного вибросигнала, в котором выделяют рабочее поле частот ротора, определяют мгновенное положение амплитуды и фазы колебаний ротора и получают синтезированные орбиты из перемещения системы ротор - корпус в плоскостях сечениях опор ротора, а сравнение производят с эталонной орбитой ротора и определяют дисбаланс ротора.

Согласно предлагаемому способу в полученном рабочем поле частот рассматривают величину перемещения ротора по двум координатам (амплитуде и времени). Направление осей координат совпадает с направлениями осей датчиков. На указанные оси координат проецируют величины амплитуд полученных вибросигналов. В результате построения двух проекций в двухкоординатной плоскости получают синтезированную орбиту вала ротора.

В конкретный момент времени t1 положение годографа вектора вибрации будет отображаться точкой на плоскости в системе координат. В момент времени t2 положение вектора вибрации будет отображаться другой точкой, как правило, не совпадающей с предыдущей. При наличии большого количества точек, полученных в некие малые промежутки времени, они сольются в кривую, отображающую траекторию пространственного перемещения годографа вектора вибрации. В конкретный момент времени положение точки на траектории будет определять величину, пропорциональную амплитуде и углу фазового положения тяжелого места ротора. Это позволяет путем использования ранее приведенного математического аппарата вычислять значение дисбаланса.

Изобретение проиллюстрировано рисунками 1-2.

На рисунке 1 представлена эталонная идеальная АФЧХ (амплитудно-фазно-частотная характеристика) двухмассной системы, а) ротор номер один; б) ротор номер два.

На рисунке 2 представлены траектории движения центра ротора в сечении передней 2а) и задней 2б) опор.

В результате математической обработки получают траектории движения центра ротора и траекторию перемещения конца суммарного вектора вибрации. Для двухроторной системы результаты показаны на рисунке 1. Отдельные точки на данной траектории определяют мгновенное положение вектора вибрации (точки и угол фазы (ϕ1) (для ротора 1).

При этом о дисбалансе судят из сравнения мгновенных значений параметров, характеризующих колебания статора.

В качестве исходных данных используется результат воздействия всех внешних и внутренних нескомпенсированных сил и моментов на изменение траектории перемещения центра системы ротор - корпус.

Определение величины дисбаланса выполняется путем математической обработки полученных мгновенных значений вибрации системы ротор-статор. Получение алгоритма расчета для идеального случая для двух роторной системы приведен ниже.

Для системы с одной степенью свободы, описываемой уравнением вида:

АФЧХ во вращающейся системе координат примет вид:

η2+[u+ka/2bω]2=(ka/2bω)2;

- где а - дисбаланс ротора,

u - величина прогиба ротора,

k - жесткость опоры,

b - коэффициент внешнего демпфирования,

ω - угловая скорость вращения.

Это уравнение кривой на комплексной плоскости, представляющее собой почти окружность, которая может быть построена, если известно значение вектора прогиба ротора для разных значений ω в окрестности критической скорости. Угол ϕ между направлением возмущающей силы и и перемещением:

tgϕ=(bω/M)/Ω22;

Где Ω=k/M,

М - масса.

Уравнение движения для n - массовой системы, на которую действует сила Fk(t), приложеная к k - массе, можно записать в виде:

где α - коэффициент влияния;

Fk(t) - возмущающая сила.

Подставляя в данное уравнение:

;

Где - ;

;

;

получим: - ;

откуда можно определить амплитуды и фазы всех грузов.

Уравнение АФЧХ для n - массовой системы для k-й формы имеет вид:

;

Где εk - составляющая дисбаланса пр k-й форме;

μk - внешний демпфирующий фактор.

Собственная частота системы (рис. 1) соответствует точке М (М'1, М'2), где величина dϕ/dω=max. При прохождении системы через резонанс по одной из форм собственных колебаний прогиб ротора соответствует величине резонансного диаметра на АФЧХ, определяется величиной неуравновешенности, распределенной по данной форме колебаний. Влияние других форм выразится в смещении начала отсчета на величину ОО11. Возмущающая сила расположена под углом π/2 в момент резонанса к резонансному диаметру. Определение величины дисбаланса ведется с использованием пробных грузов.

(Л.Н. Шаталов, «Исследование динамики гибкого двухмассового ротора с помощью амплитудно-фазово-частотных характеристик» статья сборника. АН СССР ГНИИ Машиноведения, издательство Наука, Москва 1974 г. 111 страниц. «Колебания и балансировка роторных систем». Стр. 53-57).

Орбитальный анализ вибрации представляет из себя один из частных случаев применения метода амплитудно-фазно-частоных характеристик (АФЧХ). Впервые метод АФЧХ был применен Кеннеди и Панку для исследования самолетный конструкций. Дальнейшее развитие этот метод получил для исследования балочных и роторных систем.

Как правило, траектория перемещения центра корпуса двигателя представляет собой эллипс, значение размаха большей полуоси которого находится в зависимости от величины дисбаланса ротора (Рисунок 2) в рассматриваемой плоскости. При более сложной траектории особенно на переходных режимах и процессах, небаланс определяется максимальным размахом точек траектории за один оборот ротора.

Предложенный способ осуществляют на двигателе, установленном на стенде. Ротор устанавливают на опорах статора, установленного на шарнирной опоре, расположенной в горизонтальной плоскости, выставляют ось вращения ротора в плоскости горизонта, приводят его во вращение, после чего измеряют и оценивают параметры колебаний статора.

На наружный корпус исследуемого двухвального газотурбинного двигателя под углом около 90° друг к другу в плоскостях двигателя, проходящих через опоры ротора, устанавливают датчики вибрации. Запускают двигатель, производят регистрацию вибросигнала и получают орбиту, изображенную на рис. 2а и 2б, которая представляет собой весь спектр вибрации, фиксируемый датчиком по направлениям его осей. Осуществляют обработку полученного вибросигнала, в ходе которой вибросигнал фильтруют, выделяют в нем рабочее поле частот ротора, рассматривают величину перемещения ротора в интервалах указанного рабочего поля по двум координатам, направление которых совпадает с направлениями осей датчиков. Регистрация вибросигнала осуществляется на работающем двигателе в диапазоне частот вращения роторов от 70 до 100%.

Получают и анализируют траекторию перемещения центра вала ротора. В течение 5 минут работы двигателя траектория перемещения центра вала изменялась, принимая различные неустойчивые формы. Это может быть объяснено прецессией вала в результате температурного дисбаланса в виде обкатки при выходе двигателя на рабочий режим. Прецессия вала в виде обкатки является самоустраняемым дефектом по мере прогрева двигателя и выхода его на рабочий режим, в противном случае делают вывод о плохой балансировке ротора. Получают синтезированные орбиты перемещения системы ротор-корпус в плоскостях, а сравнение производят с эталонной орбитой ротора и определяют дисбаланс ротора.

Величины дисбалансов могут быть определены в двух или нескольких плоскостях коррекции одновременно (рисунок 2а, 2б).

Определение величины дисбаланса выполняется на работающем двигателе во всем диапазоне рабочих частот вращения ротора.

При построении двух или нескольких траекторий движения в одном масштабе и соединяя аналогичные точки двух траекторий образующими, определяется мгновенное значение размаха колебаний системы. По его внешнему виду можно визуально определить примерный характер колебаний ротора и зоны, подлежащие коррекции в первую очередь.

Способ обладает высокой оперативностью оценки и чувствительностью. При этом возможная визуализация процессов изменения дисбаланса помогает определять причины их появления.

Способ определения динамического дисбаланса ротора ГТД, включающий установку датчиков вибрации на корпус двигателя, обработку вибросигналов, определение амплитуды и фазы колебаний ротора в поле рабочих частот, сравнение орбит и определение дисбаланса, отличающийся тем, что датчики вибрации устанавливают на корпус под углом 90° друг к другу, обработку вибросигнала осуществляют путем многоуровневой фильтрации полученного вибросигнала, в котором выделяют рабочее поле частот ротора, определяют мгновенное положение амплитуды и фазы колебаний ротора и получают синтезированные орбиты перемещения системы ротор-корпус в плоскостях сечениях опор ротора, а сравнение производят с эталонной орбитой ротора и определяют дисбаланс ротора.
Способ определения динамического дисбаланса ротора авиационного газотурбинного двигателя
Способ определения динамического дисбаланса ротора авиационного газотурбинного двигателя
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 34.
10.01.2015
№216.013.1861

Способ диагностики технического состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя

Изобретение относится к способу комплексной диагностики технического состояния межроторных подшипников двухвальных авиационных и наземных газотурбинных двигателей методами вибродиагностики и может быть использовано в авиадвигателестроении. Вибродатчик устанавливают на вибровод, который...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002537669
Дата охранного документа: 10.01.2015
27.05.2015
№216.013.4dd9

Способ вибрационной диагностики технического состояния подшипниковой опоры ротора двухвального газотурбинного двигателя

Изобретение относится к контролю и диагностике технического состояния подшипниковых опор роторов двухвальных газотурбинных авиационных и наземных газотурбинных двигателей и может быть использовано в авиадвигателестроении. Вибродатчики устанавливают в одной плоскости взаимно ортогонально с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002551447
Дата охранного документа: 27.05.2015
10.06.2015
№216.013.5184

Устройство для диагностики технического состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя

Изобретение относится к устройству для комплексной диагностики технического состояния межроторных подшипников двухвальных газотурбинных двигателей методами вибродиагностики и может быть использовано в авиадвигателестроении. Контроль технического состояния межроторного подшипника выполняют на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002552389
Дата охранного документа: 10.06.2015
20.02.2016
№216.014.cdfb

Способ виброакустической диагностики технического состояния подшипников в составе газотурбинного двигателя

Изобретение относится к определению технического состояния авиационных газотурбинных двигателей всех типов способом виброакустической диагностики с применением технического микрофона. Способ диагностики технического состояния газотурбинного двигателя включает установку технического микрофона в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002575243
Дата охранного документа: 20.02.2016
24.08.2017
№217.015.954d

Межроторная опора газотурбинного двигателя

Изобретение относится к энергетике. Опора двухвального газотурбинного двигателя, содержащая роликоподшипник, установленный между валами роторов низкого и высокого давлений, масляную подводящую полость под внутренним кольцом, маслоподводящие отверстия, выполненные во внутреннем кольце...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002608512
Дата охранного документа: 19.01.2017
25.08.2017
№217.015.9a00

Межроторная опора газотурбинного двигателя

Изобретение может быть использовано при изготовлении опор с расположением подшипника между двумя вращающимися роторами, в частности в газотурбинных двигателях авиационного и наземного применения. Подшипник опоры установлен между валами роторов низкого и высокого давлений и состоит из наружного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002609887
Дата охранного документа: 06.02.2017
25.08.2017
№217.015.b0f8

Способ вибрационной диагностики подшипниковых опор в составе газотурбинных двигателей с применением технического микрофона

Изобретение относится к метрологии, в частности, к методам контроля пошипников ГТД. Способ предполагает использование спектроанализатора для контроля сигнала с выхода микрофона. Определение технического состояния подшипниковых опор производят путем анализа полученного спектра частот в интервале...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613047
Дата охранного документа: 15.03.2017
25.08.2017
№217.015.b5bb

Регулируемый направляющий аппарат осевого компрессора турбомашины

Изобретение может быть использовано для конструирования узлов компрессора с регулируемым направляющим аппаратом, преимущественно для газотурбинного двигателя. Регулируемый направляющий аппарат осевого компрессора турбомашины содержит двухопорные поворотные лопатки 1 с внутренними цапфами 4,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614456
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b68f

Многосегментный радиальный подшипник скольжения

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения, в частности к опорам с расположением подшипника качения между двумя вращающимися роторами. Самоустанавливающийся многосегментный подшипник скольжения состоит из корпуса, внешнего (1) и внутреннего (3) колец,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614463
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b724

Устройство для смазки опорного подшипника ротора турбомашины

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к устройствам для смазки опорных подшипников роторов турбомашин. Устройство для смазки опорного подшипника ротора турбомашины содержит откачивающий насос, всасывающая магистраль которого подключена к сливной магистрали масляной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614470
Дата охранного документа: 28.03.2017
Показаны записи 1-10 из 40.
10.01.2015
№216.013.1861

Способ диагностики технического состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя

Изобретение относится к способу комплексной диагностики технического состояния межроторных подшипников двухвальных авиационных и наземных газотурбинных двигателей методами вибродиагностики и может быть использовано в авиадвигателестроении. Вибродатчик устанавливают на вибровод, который...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002537669
Дата охранного документа: 10.01.2015
27.05.2015
№216.013.4dd9

Способ вибрационной диагностики технического состояния подшипниковой опоры ротора двухвального газотурбинного двигателя

Изобретение относится к контролю и диагностике технического состояния подшипниковых опор роторов двухвальных газотурбинных авиационных и наземных газотурбинных двигателей и может быть использовано в авиадвигателестроении. Вибродатчики устанавливают в одной плоскости взаимно ортогонально с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002551447
Дата охранного документа: 27.05.2015
10.06.2015
№216.013.5184

Устройство для диагностики технического состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя

Изобретение относится к устройству для комплексной диагностики технического состояния межроторных подшипников двухвальных газотурбинных двигателей методами вибродиагностики и может быть использовано в авиадвигателестроении. Контроль технического состояния межроторного подшипника выполняют на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002552389
Дата охранного документа: 10.06.2015
20.02.2016
№216.014.cdfb

Способ виброакустической диагностики технического состояния подшипников в составе газотурбинного двигателя

Изобретение относится к определению технического состояния авиационных газотурбинных двигателей всех типов способом виброакустической диагностики с применением технического микрофона. Способ диагностики технического состояния газотурбинного двигателя включает установку технического микрофона в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002575243
Дата охранного документа: 20.02.2016
24.08.2017
№217.015.954d

Межроторная опора газотурбинного двигателя

Изобретение относится к энергетике. Опора двухвального газотурбинного двигателя, содержащая роликоподшипник, установленный между валами роторов низкого и высокого давлений, масляную подводящую полость под внутренним кольцом, маслоподводящие отверстия, выполненные во внутреннем кольце...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002608512
Дата охранного документа: 19.01.2017
25.08.2017
№217.015.9a00

Межроторная опора газотурбинного двигателя

Изобретение может быть использовано при изготовлении опор с расположением подшипника между двумя вращающимися роторами, в частности в газотурбинных двигателях авиационного и наземного применения. Подшипник опоры установлен между валами роторов низкого и высокого давлений и состоит из наружного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002609887
Дата охранного документа: 06.02.2017
25.08.2017
№217.015.b0f8

Способ вибрационной диагностики подшипниковых опор в составе газотурбинных двигателей с применением технического микрофона

Изобретение относится к метрологии, в частности, к методам контроля пошипников ГТД. Способ предполагает использование спектроанализатора для контроля сигнала с выхода микрофона. Определение технического состояния подшипниковых опор производят путем анализа полученного спектра частот в интервале...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613047
Дата охранного документа: 15.03.2017
25.08.2017
№217.015.b5bb

Регулируемый направляющий аппарат осевого компрессора турбомашины

Изобретение может быть использовано для конструирования узлов компрессора с регулируемым направляющим аппаратом, преимущественно для газотурбинного двигателя. Регулируемый направляющий аппарат осевого компрессора турбомашины содержит двухопорные поворотные лопатки 1 с внутренними цапфами 4,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614456
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b68f

Многосегментный радиальный подшипник скольжения

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения, в частности к опорам с расположением подшипника качения между двумя вращающимися роторами. Самоустанавливающийся многосегментный подшипник скольжения состоит из корпуса, внешнего (1) и внутреннего (3) колец,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614463
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b724

Устройство для смазки опорного подшипника ротора турбомашины

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к устройствам для смазки опорных подшипников роторов турбомашин. Устройство для смазки опорного подшипника ротора турбомашины содержит откачивающий насос, всасывающая магистраль которого подключена к сливной магистрали масляной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614470
Дата охранного документа: 28.03.2017
+ добавить свой РИД